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量子信息简介
BY:光信息科学与技术
0810324 左一平(图左)

材料物理
0810321 张冠南(图右)
量子信息 quantum information
【摘要】
在量子力学中,量子信息是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。通过量子系统的各种相干特性(如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等),进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。
【背景】
量子信息是量子物理与信息科学相融合的交叉学科,量子信息可以突破现代信息技术的物理极限,开拓出新的信息功能。量子信息技术有望以崭新的原理和方法,开拓出新一代信息技术。研究量子信息的最初目的和意义在于突破现有经典信息系统的极限,辅助经典信息系统完成复杂的任务,旨在提高信息速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度。然而随着量子信息自身理论的发展,,研究量子信息则成为各国科学研究的重点。因为Shor量子算法在理论上可以破译现有的全部经典密码系统,对经典密码系统造成了极大的威胁。又因密码系统涉及国家机密和国家安全等重大问题,所以受到高度重视。
量子信息主领域包括有:
量子计算的抽象推演,以及量子计算机方面的物理系统实践。量子计算机具有巨大的并行计算能力,提供功能更强的新型运算模式。
量子通信
量子密码学量子密码可以提供不可窃听、不可破译的绝对保密通信,美国人将“量子密码”称为“改变人类未来”的新技术。
我们主要就量子通信及通信过程中信息安全、密码简要介绍。
【基本原理】
量子通信过程
量子隐形传输也称为量子隐形传态,是量子通信的基础。量子隐形传输是以量子纠缠特性为基础的。量子纠缠指的是纠缠对之间的非定域关联。在数学上表述为不能分解为两个简单粒子状态的直积的态。对于相距无限远的纠缠对A和B,对其中一个粒子的测量会导致另一个粒子在瞬间发生态的塌缩,它们之间存在量子关联。
量子通信较之经典通信的优越性在于发送者可以对所要传递的量子态一无所知,而且在传递过程中原物并未被传给接受者,被传送的仅仅是原物的量子态,而接受者是将别的物质单元(如粒子)变换,使其处于与原物完全相同的量子态。
粒子1所处的态是Alice要传递给Bob的量子态。粒子2和粒子3是由EPR源产生的纠缠对,分别发送给Alice和Bob。Alice采用能识别Bell基的分析仪对粒子1和粒子2进行联合测量(BS)得到一个经典信息,与此同时Bob的粒子3由于粒子2的测量塌缩到相应的量子态。~ice通过经典信道将测量结果传递给Bob。Bob根据收到的信息对粒子3进行相应的幺正交换(U),就可以使粒子3处于粒子1的精确复制态。
假设甲手头有一个粒子A,乙手中有另一个粒子B,甲乙相距很远,A、B纠缠在一起。既然对A的测量能使B粒子在瞬间塌缩到相应的量子态,那么是否可以利用纠缠粒子进行超光速传递信息呢? 这一讨论的核心在于,爱因斯坦的光速不变原理是否已经违背?如果超光速传递是可能的,人类的足迹已经到了距离地球N光年的星球,如果A星球的人与B星球的人对话,如果按光速传播,它们之间会有2N年的延迟。如果超光速传递成为可能,宇宙间任意点通信将在瞬间完成。
爱因斯坦坚决反对“量子纠缠”理论,甚至将其戏称为“遥远的鬼魅行为”,但最终因此拜给了玻尔,也是一个大家熟知的轶事。
我们来看|Ψ>|Ψ>的结果:
所以只有当αβ=0,才能实现量子态的复制,即只有当α=0或β=0时才能实现量子态的复制,而一般量子态是无法复制的。量子态不能被复制的性质正是量子不可克隆(Non—cloing)定理的又一次证实。量子不可克隆定理保证了量子密钥既不能不测量也不能被复制。因此量子密码术在破坏经典密码系统的同时也为信息科学提供了另外的一条绝对安全的通讯渠道。